現(xiàn)代水聲通信第二講.ppt

第二章 水聲信道特性,信息載體-聲波; 多徑傳播-復(fù)雜; 系統(tǒng)帶寬-有限; 環(huán)境噪聲-很高; 傳輸衰減-很大;,n=0：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，TL=0； n=1：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，TL=10logr，相當(dāng)于全反射海底和全反射海面組成的理想波導(dǎo)中的傳播條件； n=1.5：適用計(jì)及海底聲吸收時(shí)的淺海聲傳播 ，TL=15logr，相當(dāng)于計(jì)入界面聲吸收所引起的對柱面波的傳播損失的修正； n=2：適用于開闊水域（自由場），球面波傳播，TL=20logr；,2.1 距離、帶寬和信噪比,Thorp給出的簡單而有效的吸收系數(shù)與頻率之間的經(jīng)驗(yàn)公式為,2.1.1 傳播損失,聲波在聲場中的平均傳播損失可表示為,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.1 傳播損失,吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.2 海洋環(huán)境噪聲,海洋環(huán)境噪聲文茲譜級圖,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.2 海洋環(huán)境噪聲,文獻(xiàn)表明：在1 kHz 到10 kHz 頻率范圍內(nèi)淺海的環(huán)境噪聲譜級基本上在40 dB 到70 dB(參考聲壓級為1 Pa Hz )之間，3級海況時(shí)深海的環(huán)境噪聲譜級在50 dB 到70 dB之間，并且隨著頻率的降低環(huán)境噪聲隨之增大，1 kHz 以下的環(huán)境噪聲譜級均在70 dB以上，因此傳輸信號使用的載波頻率的下限取1 kHz 。無論是深海還是淺海，海洋環(huán)境噪聲的功率譜密度均被認(rèn)為是以頻率20 dB/decade 在下降。,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.2 海洋環(huán)境噪聲,海洋中的噪聲為高斯分布的連續(xù)譜，其聲壓的瞬時(shí)值的概率密度為,2002年4月，在海南三亞南海海域進(jìn)行的海洋環(huán)境噪聲試驗(yàn)，其10秒鐘采樣率為12KHz的噪聲數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如右圖所示，橫軸是電壓，縱軸是在相應(yīng)電壓上噪聲出現(xiàn)的次數(shù)。分析結(jié)果表明，海洋環(huán)境噪聲服從正態(tài)(高斯)分布。,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬,擴(kuò)展損失只與距離有關(guān)，而吸收損失不但與距離有關(guān)而且還與頻率有關(guān)，因此可用帶寬有限。由傳播損失和頻率的關(guān)系、噪聲和頻率的關(guān)系可得3級海況下，發(fā)射聲源級190dB，頻率為110kHz，距離為10100km時(shí)，接收端傳播距離、帶寬信噪比的關(guān)系如下圖,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬,接收端傳播距離、帶寬信噪比的關(guān)系圖,2.1 距離、帶寬和信噪比,2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬,很明顯一定傳播距離時(shí)，這種關(guān)系影響了水聲通信系統(tǒng)距離與載波頻率及帶寬的選擇。 通信距離在10100km的為遠(yuǎn)程水聲通信，帶寬只有幾kHz（1000km距離的水聲通信，通信帶寬只有1Hz）； 通信距離為110km的為中距離的水聲通，帶寬在10kHz數(shù)量級； 通信距離在1km以內(nèi)的為短距離水聲通信，其帶寬超過10kHz，若通信距離在100m以內(nèi)時(shí)，通信的帶寬可在100kHz以上。,2.2 多徑傳播及空變特性,水聲通信中多徑信號產(chǎn)生示意圖,2.2.1 多徑傳播,2.2 多徑傳播及空變特性,2002年4月，在海南三亞南海海域進(jìn)行的海洋環(huán)境多徑試驗(yàn)，多徑檢測信號為6s的線性調(diào)頻（LFM）信號。將接收到的信號做拷貝相關(guān)，80km的多徑檢測結(jié)果如圖所示。從圖中可看出80km的多徑信息主要集中于40ms以內(nèi)，而300400ms仍有多徑信號但其能量均較弱可忽略。,海洋環(huán)境多徑時(shí)延,2.2.1 多徑傳播,2.2 多徑傳播及空變特性,實(shí)際上海洋中多徑更多地來自大幅度起伏不平的海底山巒，由于它不受距離的限制，因此多徑效應(yīng)引起信號的時(shí)間擴(kuò)展，在淺海中距離信道，多徑擴(kuò)展一般為10ms，有時(shí)可達(dá)幾百毫秒，而在深海信道的多途擴(kuò)展為幾十微秒到幾秒量級，且距離越遠(yuǎn)，多徑擴(kuò)展時(shí)間越長,2.2.1 多徑傳播,2.2 多徑傳播及空變特性,實(shí)際海洋溫度一般是水平分層（三層）均勻的分布形式，由于折射和界面反射，海洋聲信道大都呈現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)。海洋深度、發(fā)射接收端的深度，都對多徑時(shí)延的長短有影響，因此其多徑特性隨發(fā)射、接收點(diǎn)空間位置的不同而變化，即水聲信道是空變的。,深海典型聲速拋面圖,2.2.1 空變特性,2.2 多徑傳播及空變特性,在深海1000m，信號頻率1.7kHz，距離100km，發(fā)射深度104m，接收深度305m時(shí)，各條傳播路徑的傳播損失及傳播時(shí)間如表21所示。表中所取的聲線為主要本征聲線，即其傳播損失與最小傳播損失相比，不大于30dB的聲線。從表中可以看到，聲線中最長的傳播時(shí)間為68.25s，最短的傳播時(shí)間為67.38s，相差0.87s。,表21 深海條件下發(fā)射深度104m接收深度為305m時(shí)的傳播路徑,2.2 多徑傳播及空變特性,保持其它條件不變，將接收深度改為120m時(shí)，各傳播路徑的傳播損失及傳播時(shí)間如表22所示。對比表21、表22說明接收深度及海洋環(huán)境對多徑特性的影響很大。 表22 深海條件下發(fā)射深度104m接收深度120m時(shí)的傳播路徑,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的徑向運(yùn)動速度為vr，在t=0時(shí)刻，收發(fā)之間的距離為L如圖(a)所示，信號前沿到達(dá)接收端的時(shí)間為t1，則在t1時(shí)間內(nèi)接收端向發(fā)射端靠近了vrt1 ,當(dāng)信號的后沿到達(dá)接收端時(shí)，接收端又向發(fā)射端靠近了,，,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,若發(fā)射信號的持續(xù)時(shí)間為T，則接收信號的持續(xù)時(shí)間為,當(dāng)有傳播延遲時(shí) ，接收信號可表示為,2.3.1 多普勒效應(yīng),若發(fā)射信號可表示為,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,不考慮傳播延遲時(shí)，接收信號可表示為,其中多普勒因子,2.3.1 多普勒效應(yīng),2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,滿足 或,多普勒效應(yīng)可視為簡單的載波偏移,多普勒頻移,2.3.1 多普勒效應(yīng),2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,水聲信道的時(shí)變特性包括兩個(gè)方面：一個(gè)是水聲信道本身固有的特性；另一個(gè)是收發(fā)間的相對運(yùn)動引起。,水聲信道本身固有的時(shí)變特性由兩個(gè)方面引起： 一種是水流引起聲速梯度的變化，使得聲傳播的方向發(fā)生變化； 另一種是海面的波動，使得聲波發(fā)生色散；,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,海洋表面波浪引起反射點(diǎn)的移動，從而造成聲波的多普勒擴(kuò)展。反射波為零均值高斯分布的隨機(jī)過程，功率譜與風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)載波頻率為f，入射角為，風(fēng)速為w時(shí)，一次海面反射引起的多普勒擴(kuò)展為,當(dāng)通信距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深度時(shí)， ，不同風(fēng)速，不同載波頻率條件下的多普勒擴(kuò)展如圖所示,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,時(shí)不同風(fēng)速、不同載波頻率條件下的多普勒擴(kuò)展,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2005年1月30日在云南撫仙湖進(jìn)行的水聲時(shí)變特性試驗(yàn)，估計(jì)風(fēng)速3m/s，實(shí)驗(yàn)區(qū)域水深40100m，不存在明顯的溫躍層，聲速呈現(xiàn)微弱負(fù)梯度，發(fā)射換能器布放深度為6m，接收換能器布放深度為22m，收發(fā)端距離25km，接收船拋錨，發(fā)射船停機(jī)，收發(fā)之間有輕微的移動。發(fā)射持續(xù)時(shí)間為4s，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，取頻率精度為0.25Hz進(jìn)行分析，結(jié)果如圖28所示，其頻率擴(kuò)展分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，與理論分析結(jié)果一致。,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,a 8000Hz的頻率偏移約為1.25Hz b 5000Hz的頻率偏移約為0.75Hz,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,水聲信道脈沖響應(yīng)時(shí)變圖,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2.3.2 時(shí)變特性,若發(fā)射信號為,無運(yùn)動時(shí)接收信號,有運(yùn)動時(shí)接收信號,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2.3.2 時(shí)變特性,2.3 多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性,2.3.2 時(shí)變特性,2.4 水聲信道的模型 2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性,水聲信道為時(shí)變、空變、擴(kuò)展衰落的信道，且這種時(shí)變空變特性對于用戶來說是無法預(yù)知的，是一個(gè)二維的隨機(jī)過程，應(yīng)當(dāng)用二維概率密度函數(shù)表征其統(tǒng)計(jì)特性,若發(fā)送信號為,接收信號為,表示時(shí)變時(shí)延擴(kuò)展信道t時(shí)刻的沖激響應(yīng),2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性 信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬,假設(shè),是廣義平穩(wěn)的（WSS），則,的自相關(guān)函數(shù)為,在海洋傳輸介質(zhì)中，同路徑延時(shí),相關(guān)聯(lián)的信道衰減和相移與路徑時(shí)延,相關(guān)聯(lián)的信道衰減和相移是不相關(guān)的，這叫做非相關(guān)散射（US）,水聲信道是廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（WSSUS）,令,稱為多徑強(qiáng)度分布。,不為零的,Tm的理論值很難得到，通常使用實(shí)測值。,信道的時(shí)間擴(kuò)展Tm：,值范圍就是信道的時(shí)間擴(kuò)展Tm,2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性 信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬,信道的時(shí)間擴(kuò)展與相干帶寬的關(guān)系：,相干帶寬 ： 基本不為零的寬度被稱為信道的相干帶寬。,以兩經(jīng)傳輸?shù)睦觼矸治龊Ｑ蠖鄰叫诺乐械臅r(shí)間擴(kuò)展與相干帶寬的關(guān)系。假設(shè)到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號具有相同的幅度和一個(gè)相對的時(shí)延差T。頻率特性將依賴于,2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性 信道的頻率（多普勒）擴(kuò)展和相干時(shí)間,其自相關(guān)函數(shù)為,令f0，得到信道的多普勒功率譜,信道的多普勒擴(kuò)展Bd：,不為零的,范圍稱作信道的多普勒擴(kuò)展,信道的相干時(shí)間 ：,為信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值 ，一般都要求符號周期,2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性 信道的衰落特性,信號經(jīng)歷了慢衰落，否則為快衰落,信號經(jīng)歷了頻率選擇性衰落，否則為非頻率選擇性衰落,a 時(shí)域：信號的符號周期 b 頻域：信號的基帶帶寬 圖2-9 信號經(jīng)歷的衰落類型和信道參數(shù)之間的關(guān)系,2.4.1 水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性 最佳符號周期 T的選擇,一方面要求符號周期 ，以克服時(shí)間選擇性衰落對信號的影響，即要求信號經(jīng)歷慢衰落，另一方面又要求 ，以克服頻率選擇性衰落的影響和減少碼元間的相互干擾，因此需要綜合考慮這兩種要求。,理論上可以證明，最佳的符號周期 ：,2.4.2 水聲信道模型,2005年在云南撫仙湖進(jìn)行試驗(yàn)中，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，其頻率擴(kuò)展Bd分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相應(yīng)的相干時(shí)間分別為0.8s、1.33s、2s、4s。也就是說，選擇符號周期T0.8s即為慢衰落信道。,2.4.2 水聲信道模型 頻率非選擇性慢衰落信道,接收信號可表示為,其中頻率非選擇信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)為,2.4.